宽带直流放大器设计

宽带直流放大器〔C题〕摘要本系统以两级直接耦合的可控增益放大器AD603为核心，外加跟随器OPA642和电压放大器AD811配合，实现了增益可调的宽带直流放大器。系统主要由四个模块构成：前置放大电路、可控增益放大电路、后级功率放大电路、单片机显示控制模块。可控增益放大电路由两级直接耦合的可控增益放大器AD603构成，可实现-20dB到40dB的增益调节范围，配合AD811的固定增益实现0dB到60dB的增益调节范围；后级功率放大电路由高速缓冲器BUF634扩大输出电流，提升放大器的带负载能力。第二级AD603与固定增益模块间参加直流偏移调零模块，最大限度地减小了整个放大器的直流偏移。为解决宽带放大器自激问题及减小输出噪声，本系统采用多种形式的抗干扰措施，抑制噪声，改善放大器的定性。关键词：宽带放大器，可控增益，调零电路，固定增益，功率放大一、系统方案1.方案比拟与选择〔1〕可控增益放大方案一：采用可编程放大器的思想，将输入交流信号作为高速DAC的基准电压，用DAC的电阻网络构成运放反应网络的一局部，通过改变DAC数字控制量实现增益控制。理论上讲，只要DAC的速度足够快、精度足够高就可以实现很宽范围的精密增益控制，但是控制的数字量和最后的20dB不成线性关系而成指数关系，造成增益调节不均匀，精度下降，因此不选用此方案。方案二：选用两级集成可控增益放大器直接耦合作为增益控制，集成可控增益放大器的增益与控制电压成线性关系，控制电压由单片机控制DAC产生。单级集成可控增益放大器AD603具有-10dB到+30dBdB的增益控制范围，两级级联后理论上可到达-20dB到+60dB的增益控制范围，精度到达0.5dB,带宽90MHz，可以满足题目指标要求。采用集成可控增益放大器AD603实现增益控制，外围电路简单，便于调试，而且具有较高的增益调节范围和精度，故采用此方案。〔2〕功率放大电路方案一：采用分立元件实现宽带功率放大器，可以实现较大输出电压，但需采用多级高频放大电路，受电路分布参数影响，调试难度大，带宽难以保证，所以不选用此方案。方案二：采用单片集成宽带运算放大器提供较高的输出电压,再由高速缓冲器BUF634实现扩流输出,提升放大器带负载能力。此方案电路较简单,容易调试,故采用此方案.〔3〕低通滤波器方案论证方案一：采用有源滤波器，通带内没有可以没有能量损耗，电路相对有源滤波复杂，需要直流电源供电。方案二：采用无源低通LC滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。无源LC滤波器的优点是电路比拟简单，不需要直流电源供电，可靠性高，为了使通带尽量平坦，选用了通带比拟平坦的巴特沃斯滤波器。同时在滤波器后参加固定增益放大器，弥补信号通过滤波器时幅度的衰减。2.方案描述电源电源输入缓冲OPA642〔0dB〕压控增益放大器AD603(-10-20dB)压控增益放大器AD603(-10-20dB)系统框图如图1所示，系统主要由五个模块构成：前置放大电路、可控增益放大电路、低通滤波电路、后级功率放大电路、单片机显示控制模块。系统增益调节范围为0～60dB，可控增益放大电路由两级AD603构成，实现了-20～40dB的增益调节范围。前级放大电路增益为0dB,由OPA642作为电压跟随器，实现输入阻抗匹配，增大了后级输入电压。后级功率放大电路增益为20dB,由电流反应型运放AD811和THS3001串联提供较高的输出电压，再通过多个缓冲器BUF634并联,扩大输出电流，提升放大器的带负载能力，实现了在50欧姆负载上输出10V有效值。系统具有增益预置并显示和增益手动连续调节功能，还通过档位切换和无源低通滤波电路，实现了带宽预置并显示功能。二、理论分析与计算1.增益分配本系统以可控增益放大器AD603为核心，两级级联其增益调节范围理论值为-20～60dB，其它各单元电路都是根据AD603及题目要求设计。题目要求最大增益要大于60dB，最大输出电压有效值大于等于10V，输入电压有效值小于等于10mV,而中间级采用的可控增益放大器对输入电压和输出电压均有限制，所以，必须合理分配各级放大器的放大倍数。AD603增益与电平关系为：GAD603〔dB〕=40Vc+10。式中，Vc为AD603的增益控制电压，范围为-0.5V～0.5V,最大输出电压峰峰值为3Vpp，假设要实现发挥局部的输出电压有效值大于等于10V的要求，即输出电压峰峰值Vpp-min＝2×10×2＝28.28V，为得到最大输出电压,那么后级放大至少要有7.86倍。考虑到滤波器对电压的衰减，后级放大取26dB。那么两级AD603取-20～40dB的增益调节范围，式系统实现0~60dB的调节范围。为实现输入阻抗匹配，系统第一级为输入缓冲级，由OPA642构成跟随器。2.带宽增益积分析题目要求的9MHz时通频带内纹波小于1dB，实际上意味着放大器的1dB带宽要到达9MHz以上，带宽限制通过单独的滤波器实现。压控放大器AD603的带宽为90MHz，前级跟随器我们选择了具有210MHz增益带宽积的运放OPA642，使得压控放大器到达带宽要求。功放局部采用的芯片为带宽为的电流反应性运放AD811和带宽配置成180MHz的缓冲器BUF634，以上措施使得整个系统除滤波器以外的1dB带宽大于9MHz。3.通频带起伏分析通频带起伏分析由前述可知，在系统总体的通频带内，通频带起伏仅由滤波器的通频带内起伏决定，在-3dB通频带为10MHz时，在9MHz处的衰减小于-1dB，故需要做一个比拟陡峭的滤波器来实现，由滤波器设计软件FilterSolution设计仿真得到，利用4阶LC低通滤波器的边缘特性可到达要求。5.线性相位采用模拟滤波器，只有贝塞尔滤波器能到达近似线性相位，但其缺点是阻带边缘过于平缓，要实现题目要求的特性，滤波器的阶数会很高。我们使用的4阶LC滤波器并不能到达线性相移。由于题没有对放大器的相频特性做出要求，我们还是使用了4阶LC滤波器。6.抑制直流零点漂移抑制零点漂移的主要方法是要使系统工作在一个温度相对定的环境中。在布局布线中让芯片尽量远离热源，并选用零漂小的芯片。因为题目要求在0Hz时带内的起伏要到达小于1dB,即误差要控制在12%以内。当在增益为60dB，输入信号为有效值10mV时，即可得最后输出零点漂移电压要小于10mV×60dB×12%=1.2V。我们可以假设外部温度控制在10℃以内，同时取极限最差情况：所有漂移都被放大60dB，那么可计算出零点漂移为：0.12mV/℃7.放大器稳定性由于本系统的放大倍数非常大，后级的信号耦合到前级后很容易引起自激震荡。为提高放大器的定性，需要注意的是要尽量做好电源退耦，特别是由于本系统的带宽比拟宽，信号有可能通过电源线相互耦合，为了防止电源线引起的干扰，我们在每个芯片的电源线上使用去耦电容。在运放的连接中，反应电阻要尽量靠近输入引脚，防止反应回路中的分布电容引入反应回路中的极点，引起自激。除此之外在电路布局中使输入级电路与输出级电路远离，防止耦合。三、电路与程序设计1．电路设计(4)电源电路(1)前置放大电路前置放大电路使用电压跟随器实现，此前置放大电路还具有缓冲、隔离的功能，其电压增益接近于1，输入电阻为50。(2)压控放大电路系统可控增益放大电路采用两级AD603实现，单机AD603有高达-10dB到30dB的增益调整范围，最高的线性增益误差〔dB/V〕只有0.5dB/V，且具有90MHz的高增益控制带宽。单级AD603增益与增益控制电压Vc〔1脚和2脚间电压差〕关系为：GAD603〔dB〕=40Vc+10，Vc范围为-0.5V～0.5V,控制电压由单片机控制12位DAC产生，DAC基准为2.5V,那么DAC输入值K与AD603控制电压的对应关系为Vc=2.5/4096×K，能够非常容易的实现增益设置。AD603接成偏置电压可调模式，电路如图3-2所示:(3)滤波电路滤波电路采用四阶LC低通滤波器，如下列图所示：(4)功率放大电路功率放大电路由电流反应型运放AD811，THS3001HV和高速电流缓冲器BUF634构成，AD811，THS3001HV和BUF634均可±18V供电，AD811调节偏置并实现8dB增益，THS3001HV实现23dB增益，能够满足题目高输出电压的要求。最后一级电压放大器THS3001HV为电流反应型运放，具有2500V/us高压摆率，当增益设为20dB时，其带宽为100MHz。BUF634的带宽为30MHz,压摆率为2000V/us，输出电流为250mA。THS3001HV虽然具有高压摆率，但其输出电流有限，为实现高输出电压摆幅、大输出电流，采用THS3001HV实现20dB增益，通过BUF634实现扩流输出。2．程序设计系统软件显示了友好的人机界面，采用非线性补偿的方法实现了增益误差校正，软件实现了增益手动连续设置并显示和带宽预置并显示功能。流程图如四、测试方案与测试结果1．测试方案与测试条件(1)测试仪器①SU3150DDS150MHz信号发生器②YT8045数字万用表③YB4302020MHz模拟示波器(2)测试方案将各局部电路连接起来，输出级加上50Ω负载，进行整机测试。将输入端短接，测量输出噪声峰峰值。将放大器的带宽分别预置为5MHz与10MHz，5dB步进或连续调节放大器的增益。测量不带宽，不增益时的放大器的幅频响应。2．测试数据①负载测试经测试放大器的输入电阻51Ω，满足题目要求的负载电阻〔50±2〕的要求。、②出噪声测试③输出电压有效值测量输入信号频率为1MHz，输入信号幅度可变，输出信号波形无明显失真。测试结果如下：高增益测试数据输入RMS1mV5mV8mV10mVVoRMS/V2.38.99.810增益/dB76747169根据上述测试结果可知本系统到达最大电压增益60dB，测得不失真最大输出电压有效值为10V同时到达了大于等于10V和最大电压增益Au≥60dB的题目要求。④频率特性测量输入端参加有效值为8mV，增益设置为60dB。测试的数据如下：频率测试数据频率/Hz01102050100200500VoRMS/V8.98.98.68.98.98.68.6增益/dB60.960.960.660.960.960.660.6频率/KHz15102050100200500VoRMS/V8.68.68.68.68.68.98.98.4增益/dB60.660.660.660.660.660.960.960.4频率/MHz1234561012VoRMS/V8.28.28.68.68.67.97.15.7增益/dB60.260.260.660.660.659.959.057.1从以上表分析计算可得，系统的频率特性满足题目要求,3dB通频带0～12MHz；在0～9MHz通频带内增益起伏≤1dB，根本满足实验要求。3．测试结果分析通过以上测试数据我们可以看到，系统在电压增益范围，输入电压有效值，通频带范围，输出电压有效值等多个指标上均到达题目的要求。采用简单的三端稳压器件构成的直流稳压源的效率不是很高，受功放工作条件所限，目前已无法进一步提高输出电压的